电池管理系统及充放电管理方法与流程

1.本发明涉及电池充放电技术领域，尤其涉及一种电池管理系统及充放电管理方法。


背景技术：

2.随着新能源快速的发展，锂电池在实际应用中越来越广泛。比如当下全世界都在大力推行的新能源汽车就应用了锂电池。
3.随着锂电池被大量应用，如何提升锂电池使用过程中的安全性及使用寿命变成了研发的重点。电池系统由若干节锂电池组成。在电池系统的整体使用过程中，充放电是最重要的一环，现有的电池系统充放电过程中，通常对所有锂电池采用统一充放电的策略。而在锂电池的制作过程中，由于品控差异的原因，每一节锂电池的性能或多或少会有少许差异，而这些差异随着锂电池的使用会逐渐增大。这些存在差异的锂电池，在被执行统一充放电的策略的时候，会出现过充、过放以及电压抖动等问题。
4.过充、过放以及电压抖动会进一步影响锂电池的使用寿命，并造成电池性能的不稳定，如此恶性循环，将出现极大的安全隐患。因此，如何开发一种能够避免锂电池出现过充、过放以及电压抖动等问题的电池管理系统及充放电管理方法是亟待解决的难题之一。


技术实现要素：

5.为了解决背景技术中提到的至少一个技术问题，本发明的目的在于提供一种电池管理系统及充放电管理方法，避免了锂电池过充和/或过放等情况的发生。
6.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种电池管理系统，包括：电压监测单元，实时监测单体锂电池的电压；充电管理单元，用于与外部电源连接，在充电过程中控制充电电流，当所述单体锂电池的电压上升至过充阈值时，降低对应的充电电流；过充阈值调整模块，根据所述单体锂电池在上一轮充电过程中的充电电流曲线和单体锂电池的充电电压曲线对所述过充阈值进行下调，若充电电压曲线的突变点发生在充电电流的恒定阶段，则将过充阈值下调为该充电电压曲线的突变点对应的电压。
7.进一步的，所述过充阈值调整模块，还根据所述单体锂电池在上一轮充电过程中的充电电流曲线和单体锂电池的充电电压曲线对所述过充阈值进行上调，若充电电压曲线的突变点发生在充电电流的下降阶段，计算充电电流的下降阶段内对应同一时间间隔内单体锂电池的电压增长值与电流的积分值的比值，当某一时间间隔的所述比值降低至充电溢出阈值时，将过充阈值上调为该时间间隔的起始点的电压。
8.进一步的，所述充电溢出阈值的确定方法如下：计算充电电流的恒定阶段内单体锂电池的电压增长值与电流的积分值的比值，以该比值乘以固定系数即得到所述充电溢出阈值。
9.进一步的，还包括：放电管理单元，用于与负载连接，在放电过程中，当所述单体锂电池的电压下降至过放阈值时，降低对应的放电电流；过放阈值调整模块，根据所述单体锂电池在上一轮放电过程中的放电电流曲线和单体锂电池的放电电压曲线对所述过放阈值进行上调，若放电电压曲线的突变点发生在放电电流的恒定阶段，则将过放阈值上调为该突变点对应的电压。
10.进一步的，所述过放阈值调整模块，还根据所述单体锂电池在上一轮放电过程中的放电电流曲线和单体锂电池的放电电压曲线对所述过放阈值进行下调，若放电电压曲线的突变点发生在充电电流的下降阶段，计算放电电流的下降阶段内对应同一时间间隔内单体锂电池的电压下降值与电流的积分值的比值，当某一时间间隔的所述比值升高至放电溢出阈值时，将过放阈值下调为该时间间隔的起始点的电压。
11.进一步的，所述放电溢出阈值的确定方法如下：计算放电电流的恒定阶段内单体锂电池的电压增长值与电流的积分值的比值，以该比值除以固定系数即得到所述放电溢出阈值。
12.进一步的，所述固定系数为0.7。
13.一种充放电管理方法，包括以下步骤：s1，监测单体锂电池的电压；s2，当充电过程中所述单体锂电池的电压上升至过充阈值时，降低对应的充电电流；或，当放电过程中所述单体锂电池的电压下降至过放阈值时，降低对应的放电电流；s3，根据所述单体锂电池在上一轮充电过程中的充电电流曲线和单体锂电池的充电电压曲线对所述过充阈值进行下调，若充电电压曲线的突变点发生在充电电流的恒定阶段，则将过充阈值下调为该充电电压曲线的突变点对应的电压；或，根据所述单体锂电池在上一轮放电过程中的放电电流曲线和单体锂电池的放电电压曲线对所述过放阈值进行上调，若放电电压曲线的突变点发生在放电电流的恒定阶段，则将过放阈值上调为该突变点对应的电压。
14.进一步的，所述s3中，还包括：根据所述单体锂电池在上一轮充电过程中的充电电流曲线和单体锂电池的充电电压曲线对所述过充阈值进行上调，若充电电压曲线的突变点发生在充电电流的下降阶段，计算充电电流的下降阶段内对应同一时间间隔内单体锂电池的电压增长值与电流的积分值的比值，当某一时间间隔的所述比值降低至充电溢出阈值时，将过充阈值上调为该时间间隔的起始点的电压。
15.进一步的，所述s3中，还包括：根据所述单体锂电池在上一轮放电过程中的放电电流曲线和单体锂电池的放电电压曲线对所述过放阈值进行下调，若放电电压曲线的突变点发生在充电电流的下降阶段，计算放电电流的下降阶段内 对应同一时间间隔内单体锂电池的电压下降值与电流的积分值的比值，当某一时间间隔的所述比值升高至放电溢出阈值时，将过放阈值下调为该时间间隔的起始点的电压。
16.与现有技术相比，本发明的有益效果是：1、本发明能够在充电过程中，根据上一轮充电过程中的充电电流曲线和充电电压曲线，对于参考的过充阈值进行实时调整，从而在单体锂电池充电过程中自适应调整降流的时机，实现了降流的实时调整，避免过充现象的发生；
2、本发明能够在放电过程中，根据上一轮放电过程中的放电电流曲线和放电电压曲线，对于参考的过放阈值进行实时调整，从而在单体锂电池放电过程中自适应调整降流的时机，实现了降流的实时调整，避免过放现象的发生。
附图说明
17.图1为本发明实施例一的框架原理图；图2为本发明实施例二的框架原理图；图3为本发明实施例三的框架原理图；图4为理想充电状态下的充电电流及电池电压示意图；图5为突变点发生在恒定阶段的充电电流及电池电压示意图；图6为突变点发生在下降阶段的充电电流及电池电压示意图；图7为理想放电状态下的放电电流及电池电压示意图；图8为突变点发生在恒定阶段的放电电流及电池电压示意图；图9为突变点发生在下降阶段的放电电流及电池电压示意图。
具体实施方式
18.下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
19.实施例一：本实施例提供一种电池管理系统，主要解决充电过程中的过充问题，如图1所示，包括：电压监测单元，实时监测单体锂电池b1至bn的电压；充电管理单元，用于与外部电源连接，在充电过程中控制充电电流。如图4所示为理想充电状态下的充电电流及电池电压，t1时刻，电池电压达到峰值umax，充电电流逐渐减小。在充电电流的恒定阶段，电压稳定上升，根据能量守恒定律，我门很容易可以推出，充电电流与电池电压之间的关系为：在一段时间内，电流的积分与电压的增长值成正比，即：公式中，为电池电压的增长值，为a时刻的电池电压值，为b时刻的电池电压值，为充电电流，为积分符号，为常数，根据锂电池的性能决定。
20.而在实际过程中，如图5所示，在以恒定电流充电的过程中，当电池电压逐渐靠近峰值（t2至t1段）时，电池电压的增长速度会受到遏制，在电压曲线中体现为朝向横坐标（时间轴）一侧弯曲。此时，其遏制条件为：
本方案中，将该对应的a时刻视为电池电压的遏制时间点。
21.当所述单体锂电池的电压上升至过充阈值时，降低对应的充电电流；所述过充阈值为上述电池电压的遏制时间点对应的电池电压，此时降低充电电流就降低了充电功率，从而避免充电功率溢出。充电电流的降低幅度可以是按时间逐渐减小直至0。
22.而随着锂电池的使用时间的推移，锂电池的性能会随之下降，尤其体现在其电压峰值umax会下降，而上述电池电压的遏制时间点对应的电池电压通常与该电压峰值umax具有相关性，因此随着电压峰值umax的下降，若还是以固有的过充阈值进行判断，则依旧会导致过充，因此要对过充阈值进行下调。
23.基于上述原因，本实施例还包括过充阈值调整模块，根据所述单体锂电池在上一轮充电过程中的充电电流曲线和单体锂电池的充电电压曲线对所述过充阈值进行下调，若充电电压曲线的突变点发生在充电电流的恒定阶段，则将过充阈值下调为该充电电压曲线的突变点对应的电压。
24.具体的，关于充电电压曲线的突变点的确定如下：持续计算相邻两个电压监测时间点之间电池电压增长值与电流的积分之间的关系，理论上当首次出现该电池电压的遏制点时，即视为充电电压曲线发生突变。但实际过程中，由于电池使用过程中，会有稍许的浮动；因此，本实施例采用连续多个（如3个）相邻两个电压监测时间点之间电池电压增长值与电流的积分之间的关系满足上述遏制条件时，才视为充电电压曲线发生突变，起始点为充电电压曲线的突变点。
25.如：在连续的三个时间间隔a~b、b~c、c~d，其电池电压增长值与电流的积分之间的关系都满足遏制条件的时，时刻a视为充电电压曲线的突变点，则过充阈值下调为该充电电压曲线的突变点对应的电压。
26.在另一方面，由于电池性能的不稳定或者上一轮充电过程中的检测出现偏差的时候，会导致充电电压曲线的突变点发生在充电电流的下降阶段的情形。
27.因此，所述过充阈值调整模块，还根据所述单体锂电池在上一轮充电过程中的充电电流曲线和单体锂电池的充电电压曲线对所述过充阈值进行上调；如图6所示，若充电电压曲线的突变点发生在充电电流的下降阶段，计算充电电流的下降阶段内对应同一时间间隔内单体锂电池的电压增长值与电流的积分值的比值，当某一时间间隔的所述比值降低至充电溢出阈值时，将过充阈值上调为该时间间隔的起始点的电压。
28.具体的判断原理与本实施例中的下调过程相同，在此不再赘述。
29.所述充电溢出阈值的确定方法如下：计算充电电流的恒定阶段内单体锂电池的电压增长值与电流的积分值的比值即常数c，以该比值c乘以固定系数即得到所述充电溢出阈值，所述固定系数优选为0.7。
30.实施例二：本实施例提供一种电池管理系统，主要解决充电过程中的过放问题，如图2所示，包括：电压监测单元，实时监测单体锂电池b1至bn的电压；放电管理单元，用于与负载连接，在放电过程中控制放电电流。
31.如图7所示为理想充电状态下的放电电流及电池电压，t1时刻之前为放电电流的恒定阶段，放电电流为imax，电池电压稳步降低；t1时刻之后，充电电流逐渐减小，并且电池电压亦骤降，发生突变。与实施例一同理，根据能量守恒定律，我门很容易可以推出，充电电流与电池电压之间的关系为：在一段时间内，电流的积分与电压的降低值成正比，即：公式中，为电池电压的增长值，为a时刻的电池电压值，为b时刻的电池电压值，为充电电流，为积分符号，为常数，根据锂电池的性能决定。
32.而在实际过程中，如图8所示，在以恒定电流充电的过程中，当电池电压逐渐靠近峰值（t2至t1段）时，电池电压的降低速度便会增快，在电压曲线中体现为朝向横坐标（时间轴）一侧弯曲趋势变大。此时，其激发条件为：本方案中，将该对应的a时刻视为电池电压的激发时间点。
33.当所述单体锂电池的电压下降至过放阈值时，降低对应的放电电流；所述过放阈值为上述电池电压的激发时间点a对应的电池电压，此时降低放电电流就降低了放电功率，从而减缓了电池电压的骤降，可以避免电池的过放。放电电流的降低幅度可以是按时间逐渐减小直至0。
34.而随着锂电池的使用时间的推移，锂电池的性能会随之下降，尤其体现在更快达到激发条件，若还是以固有的过放阈值进行判断，则依旧会导致过放，因此要对过放阈值进行上调。
35.基于上述原因，本实施例还包括过放阈值调整模块，根据所述单体锂电池在上一轮放电过程中的放电电流曲线和单体锂电池的放电电压曲线对所述过放阈值进行上调，若放电电压曲线的突变点发生在放电电流的恒定阶段，则将过放阈值上调为该突变点对应的电压。
36.具体的，关于放电电压曲线的突变点的确定如下：持续计算相邻两个电压监测时间点之间电池电压降低值与电流的积分之间的关系，理论上当首次出现该电池电压的激发时间点时，即视为放电电压曲线发生突变。但实际过程中，由于电池使用过程中，会有稍许的浮动；因此，本实施例采用连续多个（如3个）相邻两个电压监测时间点之间电池电压降低值与电流的积分之间的关系满足上述激发条件时，才视为充电电压曲线发生突变，起始点为放电电压曲线的突变点。
37.如：在连续的三个时间间隔a~b、b~c、c~d，其电池电压增长值与电流的积分之间的关系都满足激发条件的时，时刻a视为放电电压曲线的突变点，则过放阈值上调为该充电电压曲线的突变点对应的电压。
38.在另一方面，由于电池性能的不稳定或者上一轮放电过程中的检测出现偏差的时候，会导致放电电压曲线的突变点发生在放电电流的下降阶段的情形。
39.因此，所述过放阈值调整模块，还根据所述单体锂电池在上一轮放电过程中的放电电流曲线和单体锂电池的放电电压曲线对所述过放阈值进行下调，如图9所示，若放电电压曲线的突变点发生在充电电流的下降阶段，计算放电电流的下降阶段内对应同一时间间隔内单体锂电池的电压下降值与电流的积分值的比值，当某一时间间隔的所述比值升高至放电溢出阈值时，将过放阈值下调为该时间间隔的起始点的电压。
40.具体的判断原理与本实施例中的上调过程相同，在此不再赘述。
41.所述放电溢出阈值的确定方法如下：计算放电电流的恒定阶段内单体锂电池的电压增长值与电流的积分值的比值，以该比值除以固定系数即得到所述放电溢出阈值，所述固定系数优选为0.7。
42.实施例三，本实施例提供一种电池管理系统，共同解决充电过程中的过充、过放问题，如图3所示，包括：电压监测单元，实时监测单体锂电池b1至bn的电压；充电管理单元，用于与外部电源连接，在充电过程中控制充电电流。
43.过充阈值调整模块；放电管理单元，用于与负载连接，在放电过程中控制放电电流。
44.过放阈值调整模块。
45.其中各个功能模块的功能与实施例一、实施例二相同，在此不再赘述。
46.实施例四：本实施例提供一种充放电管理方法，包括以下步骤：s1，监测单体锂电池的电压；s2，当充电过程中所述单体锂电池的电压上升至过充阈值时，降低对应的充电电流；或，当放电过程中所述单体锂电池的电压下降至过放阈值时，降低对应的放电电流；s3，根据所述单体锂电池在上一轮充电过程中的充电电流曲线和单体锂电池的充电电压曲线对所述过充阈值进行下调，若充电电压曲线的突变点发生在充电电流的恒定阶段，则将过充阈值下调为该充电电压曲线的突变点对应的电压；或，根据所述单体锂电池在上一轮放电过程中的放电电流曲线和单体锂电池的放电电压曲线对所述过放阈值进行上调，若放电电压曲线的突变点发生在放电电流的恒定阶段，则将过放阈值上调为该突变点对应的电压。
47.在一实施例中，所述s3中，还包括：根据所述单体锂电池在上一轮充电过程中的充电电流曲线和单体锂电池的充电电压曲线对所述过充阈值进行上调，若充电电压曲线的突变点发生在充电电流的下降阶段，计算充电电流的下降阶段内对应同一时间间隔内单体锂电池的电压增长值与电流的积分值的比值，当某一时间间隔的所述比值降低至充电溢出阈值时，将过充阈值上调为该时间间隔的起始点的电压。
48.在另一实施例中，所述s3中，还包括：根据所述单体锂电池在上一轮放电过程中的放电电流曲线和单体锂电池的放电
电压曲线对所述过放阈值进行下调，若放电电压曲线的突变点发生在充电电流的下降阶段，计算放电电流的下降阶段内 对应同一时间间隔内单体锂电池的电压下降值与电流的积分值的比值，当某一时间间隔的所述比值升高至放电溢出阈值时，将过放阈值下调为该时间间隔的起始点的电压。
49.对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。